壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)以二氧化碳為工質(zhì)，通過多級絕熱壓縮、等壓加熱、多級膨脹和等壓冷卻等過程實現(xiàn)能量存儲和利用，具有儲能效率高，能量密度高等優(yōu)點。
圖1為壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)工作原理。該系統(tǒng)包括散熱器、冷卻器、蓄冷換熱器、蓄冷罐、蓄熱罐、低壓儲氣罐等。由于二氧化碳的不可排放性，壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)需要形成閉環(huán)。壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)的工作原理分為儲能和釋能2個階段。
儲能時，低壓儲氣罐中的液態(tài)二氧化碳通過蓄冷換熱器吸熱汽化，再經(jīng)壓縮機壓縮，同時再冷器吸收熱量并將熱量存儲在蓄熱器中，將二氧化碳儲存在高壓罐中，即將電能轉(zhuǎn)化為熱能和勢能的形式儲存；釋能時，高壓儲氣罐中的二氧化碳經(jīng)過再熱器推動膨脹機做功，同時將再熱器出口的低溫蓄冷介質(zhì)冷量存儲在蓄冷罐中，膨脹機末級出口的二氧化碳經(jīng)過再熱器和冷卻器冷卻至液態(tài)，最后存儲到低壓罐中。
膨脹機作為壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)的核心單元，將被壓縮的二氧化碳膨脹實現(xiàn)儲能過程中的能量回收，保持高壓儲氣罐的高壓狀態(tài)。在發(fā)電過程中，膨脹機將二氧化碳從高壓膨脹至低壓狀態(tài)，釋放能量，產(chǎn)生電能。膨脹機的成本約占整個系統(tǒng)的30%~60%，其選型、運行特性、效率對提高壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)整體效率具有重要意義。
1、二氧化碳膨脹機的研究現(xiàn)狀
1.1 二氧化碳膨脹機類型
按照工作原理二氧化碳膨脹機可分為容積式和透平式2類。容積式膨脹機通過改變膨脹腔內(nèi)的體積對外做功，包括活塞式膨脹機、擺動轉(zhuǎn)子式膨脹機、螺桿式膨脹機、滑片式膨脹機、渦旋式膨脹機等；透平式膨脹機通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，將二氧化碳從高壓膨脹到低壓并對外做功，包括軸流式透平膨脹機和徑流式透平膨脹機。不同膨脹機適用的工況不一樣，各類膨脹機的一般單級功率范圍、效率范圍、轉(zhuǎn)速范圍及優(yōu)缺點見表1。
1.2 二氧化碳膨脹機研究進展
1.2.1 活塞式膨脹機
二氧化碳活塞式膨脹機在1988年由Heyl等人提出，將其應(yīng)用在制冷系統(tǒng)中。Beak等人將節(jié)流閥換成活塞式膨脹機應(yīng)用于跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)中，制冷效率提高了10%。Zhang等人設(shè)計了二氧化碳活塞式膨脹機，得出工作頻率在10~17 Hz時等熵效率為62%。Fukuta等人研究了具有4個氣缸二氧化碳徑向活塞式膨脹機，效率為40%，但運行流量較小。馬一太等研究了跨臨界二氧化碳膨脹機，發(fā)現(xiàn)二氧化碳膨脹機的輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化存在最大值，轉(zhuǎn)速在1300r/min時，膨脹機最大輸出功為330W。丑一鳴提出，出口溫度達到液化溫度后會導致膨脹后的液體不能及時排出造成“水擊”現(xiàn)象，影響活塞式膨脹機的效率，對膨脹機造成損壞。管海清等建立了二氧化碳活塞式膨脹機的損失模型及效率分析方程，分析了膨脹機內(nèi)部摩擦、泄漏損失的變化趨勢以及在總損失中所占的比例，給出了更合理的減少損失的設(shè)計方法。
在實驗研究方面，F(xiàn)errara等人研究了二氧化碳徑向活塞式膨脹機，實驗分析得出泄漏摩擦對活塞式膨脹機效率影響顯著。姜云濤等研究了轉(zhuǎn)速范圍780~1 100 r/min的二氧化碳滾動活塞式膨脹機，由于加工精度過低，實驗測試得到的效率范圍為28%~33%。
活塞式膨脹機氣量范圍一般為0.4~40.0m3/h，承溫（380~560℃）承壓（9MPa）較高，壓力范圍一般為0.12~20.00 MPa，功率范圍在20~100 kW。活塞式膨脹機工作原理如圖2所示。
1.2.2 擺動轉(zhuǎn)子式膨脹機
擺動轉(zhuǎn)子式膨脹機相對活塞式膨脹機零件較少，擺動轉(zhuǎn)子中擺桿和滾動環(huán)是一體的，避免了二者之間的連接、摩擦及潤滑問題，提高了設(shè)備的使用壽命以及可靠性，圖3為擺動轉(zhuǎn)子膨脹機示意。李敏霞等研制了以二氧化碳為工質(zhì)的擺動轉(zhuǎn)子膨脹機，進行了受力分析、運動學分析以及應(yīng)力分析，得出最大集中應(yīng)力發(fā)生在擺桿的基部。
在實驗研究方面，Guan等人開發(fā)了二氧化碳擺動轉(zhuǎn)子式膨脹機樣機，效率隨轉(zhuǎn)速變化范圍28%~44%。Matsui等人開發(fā)了等熵效率為60%的跨臨界二氧化碳膨脹機樣機，實驗時將其與渦旋式壓縮機同軸，對等熵效率提升情況進行了驗證。李敏霞等對設(shè)計的膨脹機進行了實驗測試，結(jié)果表明，工質(zhì)入口溫度48℃時，膨脹機的效率達到44%，在此基礎(chǔ)上，提出了改進入口狀態(tài)、提高膨脹機功率的建議。
擺動轉(zhuǎn)子式膨脹機在跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)中承壓能力好，適于溫度較高、壓力較大的工作環(huán)境。
1.2.3 螺桿式膨脹機
雙螺桿式膨脹機通常由2個相互嚙合的螺桿組成，膨脹時被膨脹的工質(zhì)驅(qū)動主轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，另一個轉(zhuǎn)子由主轉(zhuǎn)子驅(qū)動。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于嚙合空間的增加，工質(zhì)不斷進入膨脹機，當嚙合空間被充滿時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使工質(zhì)隨著葉間空間的增大而膨脹。
20世紀70年代能源危機時，專家團隊研制了輸出功率在20~50 kW的螺桿式膨脹機系統(tǒng)。此類膨脹機造價低廉，但當功率小于10 kW時制造困難。馬一太等提出了用雙螺桿式膨脹機取代節(jié)流閥的方法，結(jié)合超臨界二氧化碳的特點，為超臨界二氧化碳兩相膨脹機提供了設(shè)計思路和建議。單螺桿式膨脹機的基本嚙合由1個螺桿和2個對稱的星齒輪組成，具體如圖4所示，比雙螺桿式膨脹機結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、運行安全性高，最低運行溫度為80℃[34]。郭志宇[35]提到單螺桿式膨脹機嚙合副的磨損問題不僅影響膨脹機的性能還威脅膨脹機壽命。
螺桿式膨脹機中的螺旋擴張器既可同步也可非同步，非同步時需要潤滑。
螺桿式膨脹機目前被應(yīng)用于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)（organic Rankine cycle，ORC）中，不需要進氣閥和排氣閥，轉(zhuǎn)子之間沒有摩擦，沒有不平衡的質(zhì)量力，振動小，適用于兩相流動，絕熱效率高于70%，但承壓（不超過3 MPa）承溫（不超過250℃）較低。因此可以應(yīng)用于壓力較小的兩相壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)中。
1.2.4 滑片式膨脹機
滑片式膨脹機由定子、轉(zhuǎn)子和滑片組成，轉(zhuǎn)子上開有凹槽，滑片裝在凹槽內(nèi)，外圈轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在離心力的作用下，滑片從凹槽甩出進入定子，實現(xiàn)膨脹，工作原理如圖5所示?；脚蛎洐C運行功率小于10 kW，功率密度高；轉(zhuǎn)子不受徑向和軸向力作用，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全性高；結(jié)構(gòu)簡單，對密封軸承和裝備精度要求低，成本低，適用于小型系統(tǒng)。西安交通大學的楊炳春等設(shè)計了帶有2個對稱的進、排氣口和7個滑片的膨脹機，通過樣機實驗獲得了工作腔內(nèi)壓力隨轉(zhuǎn)角變化的曲線，并分析得出此膨脹機可以平穩(wěn)連續(xù)運行，但會出現(xiàn)比較嚴重的泄漏，導致過度膨脹發(fā)生[37-38]。孫少毅設(shè)計了二氧化碳滑片式膨脹機，分析了膨脹機的泄漏、效率等問題，得出二氧化碳膨脹機由于壓降和泄漏會導致過膨脹，膨脹機的絕熱效率為20%。東南大學蔣蕓慧設(shè)計研究出一種新型帶導葉和氣缸隨轉(zhuǎn)的二氧化碳滑片式膨脹機，其設(shè)置了有效減小摩擦和磨損的隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的氣缸，減小轉(zhuǎn)子直徑來增大腔室容積，增加了導流葉片，使平均排氣質(zhì)量流量增大2.42%，效率提高2.08%。
Subiantoro等人對旋轉(zhuǎn)葉片二氧化碳膨脹機進行設(shè)計與改進，研究表明當葉片附著在轉(zhuǎn)子上，機械效率得到提升，并可得到較為理想的功率變化。Yang等人在滑片式膨脹機基礎(chǔ)上改進開發(fā)了新型旋轉(zhuǎn)葉片式二氧化碳膨脹機，研究了其內(nèi)部泄漏與摩擦。加入彈簧后膨脹機的容積效率從17%提高到30%，實現(xiàn)系統(tǒng)制冷、制熱效率的提高。
目前滑片式膨脹機大部分為1~10 kW的小功率機型，且以工質(zhì)為二氧化碳的滑片式膨脹機的研究主要集中在滑片的個數(shù)、膨脹腔的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度等方面。此類膨脹機可應(yīng)用于運行功率低于10 kW、低流量、低中等工作壓力的二氧化碳系統(tǒng)中。
1.2.5 渦旋式膨脹機
渦旋式膨脹機由靜渦旋盤和動渦旋盤組成月牙形的封閉腔，具體如圖6所示。工作時，高壓氣體通過渦旋盤中間的進氣口流入膨脹腔（圖6a)），動渦旋轉(zhuǎn)動，膨脹腔的容積變大（圖6b)），實現(xiàn)膨脹，當容積達到最大時（圖6c)），排氣口排氣，實現(xiàn)連續(xù)進氣（圖6d)）、膨脹和排氣過程。
1988年Yanagisawa等人將汽車中的壓縮機改裝成為渦旋式膨脹機，實驗得到轉(zhuǎn)速在1 000~4 000 r/min時，膨脹機的等熵效率為60%。Singh等人研究表明二氧化碳渦旋膨脹機中壓力分布不對稱，膨脹腔內(nèi)會產(chǎn)生復雜的速度渦流，并提出可以優(yōu)化靜渦旋盤和動渦旋盤之間的泄漏空間來提高膨脹機的整體效率。馬一太等設(shè)計了二氧化碳渦旋膨脹機，進行了熱力分析，得出對于小型制冷裝置，渦旋式膨脹機是一種可行的設(shè)備，且計算得出當運行比與膨脹比不等時，流體流動時會產(chǎn)生功損失。
當二氧化碳為超臨界狀態(tài)時，在膨脹過程中工質(zhì)進入過熱區(qū)會出現(xiàn)“過熱液體”的不穩(wěn)定現(xiàn)象，為了保證強度與剛度，葉片或膨脹腔應(yīng)加厚。因此有研究員對二氧化碳從亞臨界到超臨界過程的渦旋式膨脹機進行了評價。Singh等人評估了二氧化碳渦旋式膨脹機在跨臨界二氧化碳循環(huán)中的性能，研究表明，所設(shè)計的渦旋式膨脹機可以用于高溫環(huán)境，當壓比為3.7時，得到最高的等熵效率為61%，并研究了質(zhì)量流量、吸入壓力、壓比和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對系統(tǒng)整體性能的影響[48-49]，得出軸轉(zhuǎn)速和軸功率偏差分別在±7.5%和±11.1%內(nèi)。
1.2.6 透平式膨脹機
透平式膨脹機分為徑流式和軸流式2類，圖7為2類透平膨脹機葉輪的三維模型。透平式膨脹機流量下限不能太小，一般為100~200 m3/h[3]。透平膨脹機的功率與轉(zhuǎn)速成反比，為防其轉(zhuǎn)速過高，一般透平膨脹機只用于大型系統(tǒng)。
在超臨界壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)中膨脹機多采用透平式，國內(nèi)外學者針對其功率范圍、透平效率、損失類型、葉片參數(shù)、摩擦泄漏等進行了研究分析及實驗探究。Sarkar和Lee等人研究表明，對于超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，軸流式透平膨脹機適用于功率高于10 MW的系統(tǒng)，徑流式透平膨脹機適用于功率低于10 MW系統(tǒng)。超臨界二氧化碳徑流式透平膨脹機用于轉(zhuǎn)速過萬的系統(tǒng)時，可以在20~30 MW功率范圍內(nèi)達到高效率。Romei等人[在研究中發(fā)現(xiàn)透平式膨脹機的效率對整個系統(tǒng)的動力循環(huán)影響非常大，設(shè)計出高效運行的透平是實現(xiàn)超臨界二氧化碳全部潛力的關(guān)鍵。麻省理工學院的研究人員設(shè)計了一套簡單的超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，實驗表明，影響透平式膨脹機效率最重要的因素分別是入口溫度、系統(tǒng)循環(huán)中的最高壓力。王智等[54]設(shè)計了質(zhì)量流量185 kg/s的單級軸流式透平膨脹機，進行了氣動分析、葉片造型，分析入口壓力、入口溫度、轉(zhuǎn)速對透平式膨脹機效率、功率和質(zhì)量流量的影響，得出入口壓力對功率影響變化可達±32.65%。張磊等分析了4級膨脹超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機氣動性能和流動特性對效率的影響，得出氣流出口處馬赫數(shù)較低，影響透平式膨脹機效率提高；端壁二次流影響主流和出口氣流角，造成效率降低；第一級隔板氣封處泄漏使透平總靜效率下降了7.27%。
在透平式膨脹機損失方面，Lv等人研究了超臨界二氧化碳徑流式透平膨脹機的主要損失來自于動靜葉片損失、間隙損失和出口動力損失。Unglaube等人分析二氧化碳向心透平膨脹機比轉(zhuǎn)
速范圍，得到最佳范圍是0.2~0.5，當比轉(zhuǎn)速更高時會造成額外損失。王春陽等設(shè)計并改進了70 MW級的超臨界二氧化碳膨脹機，通過數(shù)值模擬的方法探究了葉輪的葉型、葉片個數(shù)、葉頂間隙、葉片的進出口個數(shù)對膨脹機的影響，在選取材料時除了考慮氣動限制還考慮了經(jīng)濟性問題。王雨琦等設(shè)計了部分進氣度為0.3的超臨界二氧化碳徑流式向心透平，部分進氣時，在流量減小的情況下增加葉高來減少其流動損失，提高透平式膨脹機效率。韓萬龍等設(shè)計了5 MW的2級超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機，對葉型優(yōu)化后，可降低動、靜葉損失。透平式膨脹機高壓設(shè)計工況和變工況氣動特性良好，效率可達84.88%。Schmitt等人設(shè)計了100 MW的超臨界二氧化碳透平式膨脹機，進行了氣動損失分析，得出氣動損失導致級效率比目標值低4%。
在透平式膨脹機摩擦泄漏方面，呂國川設(shè)計了帶有背輪空腔的超臨界二氧化碳徑流式透平膨脹機，進行了一維優(yōu)化設(shè)計，對膨脹機中的損失進行了篩選和模型優(yōu)化，非設(shè)計工況和流通能力較之前有顯著地提升，研究了背輪空腔的影響，得出空腔對摩擦和泄漏流體回流都會造成損失。Du Q等分析了在超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機中串聯(lián)式干氣密封比單級密封結(jié)構(gòu)性能更加突出，且透平效率幾乎無變化，氣動性能良好。杜秋晚等還在徑流式透平膨脹機中設(shè)計了干氣密封、迷宮密封和二者相結(jié)合的3種密封槽，分析得出3種槽型均可以滿足泄漏和流量的要求，迷宮密封和干氣密封相結(jié)合的綜合性最好，具體如圖8所示。應(yīng)祺煜等研究了4級超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機，進行了氣動分析，流道三維數(shù)值模擬，得出動葉葉頂間隙泄漏是影響透平式膨脹機流動和性能的關(guān)鍵因素。
在實驗研究方面美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory，SNL）、韓國高級科學技術(shù)研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）及韓國能源研究所（Korea Institute of Energy Research，KIER）、日本東京工業(yè)大學（Tokyo Institute of Technology，TIT）等做出了成果。美國SNL制造了徑流式透平膨脹機，進行了實驗研究，入口溫度811 K，實際轉(zhuǎn)速為59 000 r/min。KAIST考慮了二氧化碳跨臨界問題會導致測試不確定度增加，建議在二氧化碳臨界點附近建立增壓點，使其一直在超臨界區(qū)域內(nèi)運行。KIER設(shè)計并實驗分析了60 kW的超臨界氧化碳單級軸流式透平膨脹機，采用沖量和部分進氣的方式來減小軸向力和轉(zhuǎn)速，實驗時遇到了各種問題并進行改進。
透平式膨脹機氣體量達50 000~200 000 kg/h，承壓承溫能力高，本文統(tǒng)計二氧化碳透平式膨脹機轉(zhuǎn)速最高為200 000 r/min，單級功率為70 MW。隨著壓縮二氧化碳儲能技術(shù)的發(fā)展，透平式膨脹機使用要求更加嚴格，在提高透平效率、減少各類損失、降低摩擦泄漏、改善葉型等方面都可以進行更深入的研究。
1.3 膨脹機工程應(yīng)用案例
目前壓縮二氧化碳儲能研究處于前沿領(lǐng)域，其膨脹機研究主要集中在數(shù)值仿真和實驗研究方面?，F(xiàn)有二氧化碳膨脹機工程應(yīng)用可體現(xiàn)在二氧化碳發(fā)電項目上，表2為KAIST及KIER部分膨脹機應(yīng)用案例。
2、膨脹機選擇及存在問題
根據(jù)二氧化碳流動性好、做功能力強、在壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)中物性狀態(tài)分布范圍大的特點，結(jié)合膨脹機的結(jié)構(gòu)特性，活塞式、螺桿式、透平式膨脹機均有應(yīng)用前景。但在運行過程中，膨脹機可能會出現(xiàn)不同問題，導致效率降低、影響設(shè)備穩(wěn)定運行。針對膨脹機可能出現(xiàn)的問題，本文提出了解決的方案。
2.1 活塞式膨脹機
活塞式膨脹機適用于壓比大、流量小的場合，一般壓比范圍4~40，可應(yīng)用于二氧化碳不同狀態(tài)?；钊脚蛎洐C存在“水擊”現(xiàn)象和泄漏問題導致流量損失，影響膨脹機的絕熱效率。當二氧化碳為低溫液態(tài)時，還要考慮進、排氣閥和氣缸的耐低溫性和耐腐蝕性。
對于“水擊”現(xiàn)象，合理設(shè)計配氣機構(gòu)，使膨脹后的液體能夠及時排出來緩解此問題。對于泄漏問題，應(yīng)適當減小氣缸與活塞組件的間隙，合理改進膨脹機的活塞密封，密封方式可選擇皮碗密封、活塞環(huán)密封、迷宮密封等形式。在設(shè)計配氣機構(gòu)時，進、排氣閥分開設(shè)置，使流通面積增加，減少節(jié)流損失；氣流單向流動，使熱交換減少，降低流動損失。對于進、排氣閥的相位，進氣相位對質(zhì)量流量的影響大于排氣相位的影響。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計轉(zhuǎn)速后，先對進氣相位區(qū)間進行設(shè)計，保證不損失質(zhì)量流量下設(shè)計膨脹機排氣相位，達到效率要求。工質(zhì)為低溫液態(tài)二氧化碳時，根據(jù)膨脹機溫度范圍、壓力范圍選取合適的材料或涂層來保證活塞膨脹機正常工作。
2.2 螺桿式膨脹機
螺桿式膨脹機在運行時，轉(zhuǎn)子間不接觸，無摩擦、無振動，帶液工作時可以改變轉(zhuǎn)子間的間隙從而降低流動損失。在壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)中，當二氧化碳為氣液兩相時可以采用螺桿式膨脹機。但螺桿式膨脹機型面設(shè)計難度大，加工精度高，在轉(zhuǎn)子型線設(shè)計時，還要考慮整體的經(jīng)濟效益。工作過程中，由于進、排氣口周期相通，瞬間氣流發(fā)生沖擊，造成流動損失、效率降低。
在設(shè)計螺桿式膨脹機時，按照二氧化碳氣液流量比設(shè)計齒數(shù)比、中心距，調(diào)整轉(zhuǎn)子間的嚙合間隙來降低流動損失。在進、排氣閥處增加消聲器，緩解噪聲的影響。根據(jù)二氧化碳在膨脹機中的流體運動特征，改變排氣閥的形狀和布局，減弱出口處回流現(xiàn)象，減少流動損失，提高膨脹機的效率。當壓比較小時，可以沿螺桿方向徑向布置排氣閥。當二氧化碳為氣液兩相時，提高轉(zhuǎn)子的耐液擊和耐氣蝕特性。
2.3 徑流式透平膨脹機
徑流式透平膨脹機可以滿足二氧化碳高壓比、大流量的要求。在徑流式透平膨脹機中不同類型透平的膨脹位置不同。沖動式透平膨脹機只在葉輪處完成膨脹，反動式透平膨脹機蝸殼、噴嘴、葉輪均會發(fā)生膨脹。但在反動式透平膨脹機中，噴嘴處焓降較大會使流動損失增大，噴嘴與葉輪沖角的匹配也會影響葉輪內(nèi)部的流動情況。當出口二氧化碳為氣液兩相時，可能會存在渦旋回流現(xiàn)象。當出口二氧化碳為液相時局部地區(qū)的靜力減少，接近葉片表面液體內(nèi)會出現(xiàn)小蒸汽泡（空泡），當空泡被周圍二氧化碳帶到壓力較高的區(qū)域，空泡潰滅產(chǎn)生壓力波，對葉片造成沖擊，產(chǎn)生汽蝕。
針對上述問題，在沖動式透平膨脹機中，首先要選擇合適反動度，對不同部位的焓降進行分配，通過設(shè)計控制在蝸殼、噴嘴和葉輪3個位置的焓降，減小流動損失；其次根據(jù)膨脹要求設(shè)計工作輪沖角，避免葉片吸力面前緣的環(huán)流與壓力面尾緣流體在葉片表面附著，使效率降低。設(shè)計徑流式透平膨脹機時適當延長葉片尾緣與葉輪出口的距離來緩解透平出口渦旋回流現(xiàn)象。當膨脹機內(nèi)存在相變過程時，采用合適的物性狀態(tài)方程可提高仿真精度。對于空化現(xiàn)象可以通過空泡潰滅時的噪聲進行位置檢測，設(shè)計透平葉片葉型，改變出口相對氣流角減弱空化現(xiàn)象的發(fā)生，同時葉片表面使用特殊材料的涂層來減緩空泡對其的沖擊。
2.4 軸流式透平膨脹機
軸流式透平膨脹機可以滿足大流量、多級膨脹要求，當徑流式透平膨脹機不能滿足壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)功率要求時，可以采用軸流透平。軸流式透平膨脹機中，葉頂間隙泄漏、透平膨脹機端壁處的二次流現(xiàn)象是影響透平膨脹機效率和性能的主要因素之一。葉頂間隙泄漏影響下一級靜葉流動，引起靜葉片壓力面和吸力面流體分離，造成流動損失。二次流會使葉片通道內(nèi)產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象，導致流動損失，還會影響排氣口氣流角的變化。
針對泄漏問題，設(shè)計軸流式透平膨脹機時在軸端設(shè)計干氣密封、迷宮密封等形式來減小泄漏損失。與迷宮密封相比干氣密封受泄漏入口寬度影響較小，但干氣密封對軸向力平衡的影響大于迷宮密封，且干氣密封對間隙泄漏更敏感。對于二次流問題，可以采用彎葉片造型，減小葉柵通道的壓力和載荷梯度；設(shè)計非軸對稱端壁，通過降低近下端壁處的壓力梯度，改變工質(zhì)在流道內(nèi)近壁面的流動，對二次流進行抑制。對二氧化碳射流位置及角度進行控制，可減小渦旋現(xiàn)象發(fā)生。還可以嘗試改變?nèi)~片前緣及尾緣形狀，同時減小泄漏和二次流現(xiàn)象，提高透平效率。
3、結(jié)論與展望
膨脹機作為二氧化碳儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，對整個儲能系統(tǒng)的效率和性能有直接影響，因此對其選型、優(yōu)化設(shè)計、運行特性、工程應(yīng)用等進行研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。本文從當下能源形勢出發(fā)，介紹了國內(nèi)外不同類型二氧化碳膨脹機的研究現(xiàn)狀，給出了不同類型膨脹機參數(shù)進行了對比，分析了壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)中膨脹機選擇及其運行時的潛在問題，得出以下結(jié)論。
1）不同形式的膨脹機根據(jù)其能量轉(zhuǎn)化方式不同應(yīng)用范圍不同。容積式膨脹機適用壓比大、流量小的系統(tǒng)；透平式膨脹機適用于轉(zhuǎn)速高、流量大的系統(tǒng)。
2）容積式膨脹機中活塞式和螺桿式適合應(yīng)用于壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)，對配氣機構(gòu)的設(shè)計可以提高2種膨脹機的效率，減少流動損失。改善活塞式膨脹機材料可應(yīng)對低溫二氧化碳影響，設(shè)計螺桿膨脹型面時要考慮加工精度。
3）徑流式透平可通過設(shè)計葉片前緣、尾緣形狀降低流動損失來提高效率；通過改變?nèi)~型、增加涂層減弱汽蝕沖擊。軸流式透平采用軸端密封減少泄漏，降低損失；采用彎葉片造型，降低壓力梯度減弱二次流的影響。
結(jié)合二氧化碳膨脹機的研究進展，未來可以在以下方面進行進一步研究。
1）容積式和透平式膨脹機中還存在摩擦損失，摩擦損失是影響膨脹機效率的關(guān)鍵因素之一，不同類型膨脹機摩擦位置不同。今后可針對如何降低二氧化碳膨脹機摩擦損失進一步分析研究，如改善摩擦部位結(jié)構(gòu)，提高加工精度，增加潤滑設(shè)備，從而提高膨脹效率。
2）目前對二氧化碳膨脹機的研究主要集中在理論分析和實驗驗證方面，可結(jié)合工程應(yīng)用中二氧化碳的物性參數(shù)和膨脹過程中的復雜變化，修正和解決膨脹機在理論設(shè)計中存在的問題，優(yōu)化設(shè)計方法和程序，并對關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
3）目前壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)正處于初級階段，本文僅給出了當前二氧化碳膨脹機的應(yīng)用現(xiàn)狀和在發(fā)電系統(tǒng)中的工程應(yīng)用。未來二氧化碳膨脹機技術(shù)發(fā)展可以提高儲能效率、降低設(shè)備成本為導向，結(jié)合二氧化碳在不同狀態(tài)下的物性參數(shù)，穩(wěn)步實現(xiàn)理論分析、機械設(shè)計、實驗驗證、工程應(yīng)用到技術(shù)推廣，實現(xiàn)設(shè)計研究一體化、標準化、規(guī)范化。
